煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2025年第8期

• 山西武乡南勘探区煤系沉积相测井判识方法

  金毅, 田云晴, 宋慧波, 胡斌, 于振锋,

  目的山西沁水盆地武乡南勘探区块石炭–二叠纪含煤地层含有丰富的煤层气资源，需建立基于测井数据的岩性判识标准，揭示测井相与沉积相的响应关系，并构建沉积模式，为该区煤层气勘探提供智能化辨识技术支撑。方法采用岩性、沉积相及测井相综合分析方法，系统研究了区块含煤地层山西组、太原组测井沉积相展布特征，综合分析了岩心、录井及测井资料，并提出了多元测井数据结合定量识别岩性方法，采用三维交会图法建立了适应于勘探区的岩性识别模型，结合测井曲线形态特征和岩性组合特点构建了区块的沉积环境模式。结果和结论 (1) 构建了岩性、沉积相与测井相关联的判识模型，将武乡南勘探区块主要含煤地层中常见的12种岩性划分为四大类岩石类型，识别出山西组主要发育箱形、钟形、指形及漏斗形4种测井相，而太原组岩性序列则表现出齿形、箱形–齿形、箱形–钟形和钟形–指形4种典型的形态组合特征。(2) 提出了沉积相及微相的组成及展布特征，明确了研究区主要含煤地层的沉积特征，其中山西组为三角洲平原沉积体系且主要发育分流河道、分流间湾和泥炭沼泽3种沉积微相，太原组则以海相碳酸盐岩台地沉积为主并发育浅海、障壁岛、潟湖及潮坪四种沉积相，潮坪进一步划分为砂坪、泥炭坪及混合坪3种沉积微相。(3) 建立了山西组及太原组的沉积环境模式及其沉积序列类型，为该区煤层气资源禀赋规律的明晰提供了判识依据。

• CO2-H2O体系温度影响煤体破裂演变机制

  林柏泉, 施宇, 刘厅, 沈扬, 黄涛,

  背景瓦斯发电厂产排的热烟气注入深部难抽煤层具有瓦斯增产与CO2封存双重效益，但热烟气载热特性引起的煤储层稳定性问题亟待解决，解决该问题的关键在于阐明CO2-H2O体系温度效应下侵蚀煤体破裂演变机制。方法采用自主搭建的考虑温度−压力耦合效应的CO2-H2O-煤相互作用平台，进行不同温度下单轴、三轴与巴西劈裂试样预处理。基于力学强度测试结果研究不同CO2-H2O体系温度下煤体强度非线性劣化规律。对比加载过程声发射(AE)与非接触式全场应变监测(DIC)结果，分析CO2-H2O体系温度对侵蚀煤体破裂演变的影响。结合能谱扫描电镜(SEM-EDS)，探讨不同侵蚀温度下侵蚀煤体热破裂与矿物溶蚀效应的竞争劣化机制。结果和结论(1)侵蚀温度升高时，单轴试样渐进破裂阶段从峰前向峰后转变，而热破裂与矿物溶蚀产生的竞争劣化效应导致峰值强度非线性降低。矿物溶蚀影响下劈裂试样抗拉强度显著降低，而热破裂并未显著加剧其劣化。(2)低温侵蚀煤体中，矿物溶蚀形成微观缺陷，加载时连通产生大量新生裂隙，导致声发射振铃突变点显现频率及累计声发射振铃数均增大。高温侵蚀煤体中，热破裂形成大量连通裂隙，声发射振铃突变点频率和累计振铃数显著降低，试样破裂由迅速、突然地张拉破裂逐渐向渐进、缓慢地剪切破裂转变。(3)侵蚀温度升高时，单轴试样宏观破裂形态经历片状分离、剪切块分离与混合破裂模式，导致试样宏观裂隙分布更复杂、破裂更充分。侵蚀试样内产生大量微观缺陷并促进剪切破裂，但峰值应力时仍以拉伸破裂为主，滞后区域压应变集中且应变场复杂。劈裂试样宏观破裂形态从中央破裂逐渐向更为曲折的非中央断裂发展，拉应变分布复杂，集中区域范围增大且向试样一侧偏转。(4)矿物溶蚀效应仅能在煤样内部产生溶蚀坑与孔洞，而形成大尺度裂隙需要相当长的侵蚀时间。高温侵蚀条件下矿物溶蚀效应大幅减弱，但热破裂效应会形成大量具有更大尺度的新生裂隙导致煤体力学强度大幅降低。研究成功可为热烟气瓦斯增产与地质封存过程储层稳定性评价提供理论参考。

• 综采工作面采高影响瓦斯运–储区交叉融合机理

  赵鹏翔, 郭旭, 王超, 李树刚, 卓日升, 常泽晨, 雷雯,

  目的煤层采高对覆岩裂隙发育及瓦斯运–储区特征具有显著影响，通过研究不同采高条件下的影响规律，能够指导瓦斯抽采钻孔布置于合适区域，从而有效提升瓦斯抽采效率。方法以山西和顺天池煤矿302工作面为研究对象，综合运用物理相似模拟实验、理论分析及工程验证等方法，系统研究2、4、6 m这3种不同采高条件下覆岩裂隙发育特征及瓦斯运 –储区的动态演化规律。结果和结论基于裂隙开合度突变点(1 m)与贯通度突变点(0.68)，将采空区划分为覆岩压实区(开合度≤1 m，贯通度≤0.1)、瓦斯运移区(开合度>1 m，贯通度≥0.68)和瓦斯储集区(开合度>1 m，贯通度<0.68)；分析不同采高条件下裂隙发育情况，得出横纵裂隙发育高度与突变频率随采高增加显著提升；通过裂隙率与裂隙熵的同步变化表征瓦斯运移区与储集区的交叉融合状态，区域随周期来压呈现“运储一体—初次形成—交叉融合—区域分离”4阶段演化，对比发现交叉融合层位及范围与采高呈正相关；基于椭抛带理论构建卸压瓦斯运–储区交叉融合采高效应数学模型，提出以裂隙特征参数判定运移区与储集区边界的流程，确定钻孔布置于瓦斯运移区中上部；现场试验表明，定向钻孔布置于运移区中上部时，平均瓦斯抽采量占比达52.3%，该结果验证了理论模型的适用性。研究成果为卸压瓦斯高效抽采提供了理论依据。

• 基于在线激光拉曼光谱的CO2/CH4/N2气体注入对无烟煤大分子结构的影响

  王天, 潘结南, 李猛, 王凯, 唐助云, 程南南, 侯泉林,

  目的和方法煤层气的吸附与解吸过程不仅会诱发煤体宏观变形，还显著改变煤的大分子结构特征，不同气体的作用机制与影响程度存在明显差异。基于自主研发的在线激光拉曼光谱测试系统，从分子尺度揭示无烟煤在CO2、CH4和N2注入条件下的结构响应差异特征及作用机制。结果和结论气体注入导致煤微晶结构的D4、D、D3和G峰呈现明显蓝移，解吸时则表现为红移，且解吸过程结构无法完全恢复。随着吸附压力的增加，峰面积比(AD/AG)、峰强比(ID/IG)及D峰半高宽(FWHM)均显著增大，反映出微晶尺寸减小、结构有序度下降及缺陷增加，其中CO2诱导结构变化最显著，影响程度排序为CO2>CH4>N2。这一微观结构变化规律，为深部煤层CO2/N2强化煤层气开发和CO2地质封存提供了分子层面的理论依据。

• 鄂尔多斯盆地本溪组煤裂缝及宏细观力学演化规律

  朱柏旭, 杨旭, 李高仁, 李皋, 冯佳歆,

  目的为了厘清深部裂缝多尺度特征与煤岩力学行为之间的关系，进而深入理解煤体宏细观损伤破坏机理，并为深部煤层气储层稳定性评价与力学建模提供科学依据，需开展深部煤岩在不同尺度下的力学特性差异研究。方法以鄂尔多斯盆地本溪组8号煤样为研究对象，开展了单轴/三轴力学试验、纳米压痕试验和CT扫描分析。基于不同尺度下裂缝发育密度和弹性模量的差异，拟合了升尺度计算模型，研究了围压对裂缝力学参数的影响。结果和结论结构完整的煤样端面和内部割理分布密集交互形成网状裂隙，端面面割理密度为6~12条/5 cm，端割理密度为9~16条/5 cm，CT统计内部割理密度为10条/5cm。微米尺度下，裂隙宽度为0.52~13.41 μm。裂缝的存在显著降低了煤样的宏观弹性模量，三轴力学试验中弹性模量较纳米压痕结果低约21%。随着围压升高，裂缝逐步闭合，峰值强度与弹性模量非线性增长，破坏模式由张拉劈裂转变为剪切破坏。拟合模型表明，法向刚度随围压增加呈非线性增强趋势，且增长速率逐渐趋缓。该模型可用于预测不同围压条件下煤样的宏观弹性模量变化规律。研究成果为鄂尔多斯本溪组煤储层的力学建模的多尺度精细表征和参数预测提供了试验依据。

• 压缩空气储能地下储气库地质评价研究进展

  姜文, 黄乐清, 张松航, 马慧英,

  背景在全球碳达峰碳中和背景下，可再生能源发展迅速，正逐步改变世界能源结构。但光伏和风电能源的间歇性和波动性特征容易导致电网频率波动和供电可靠性降低。压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)技术凭借其大容量、低成本优势，成为支撑绿色电网稳定运行的关键。方法通过对近年来国内外文献进行系统综述，梳理了CAES储气库地质评价理论与技术现状，对比分析了软岩硐室、多孔地层和硬岩硐室3类储气库的适用性、性能特征及关键技术瓶颈。进展和展望软岩硐室(盐岩层/废弃矿井)技术成熟但成本较高，需重点评估硐室稳定性与长期密封性；多孔地层(砂岩/废弃油气储层)储量大但气体控制难度高，需综合考虑圈闭条件、储层物性及断层封堵性；硬岩硐室(玄武岩/花岗岩)稳定性强但施工成本高，需优化裂缝控制与复合衬砌技术。当前CAES技术应用研究在地下储气库选址与评价、地质资源潜力评价和地下储层建模3方面进展显著，但仍面临以下问题：(1) 盐穴依赖性强，废弃煤矿与硬岩硐室经济性不足，多孔地层非均质性影响储气效率；(2) 地质资源潜力评价受限于数据精度和简化假设条件；(3) 储层模拟缺乏多场耦合效应的考量。未来研究需从两方面突破：加强多孔地层储层孔隙结构和盖层的精细化研究，融合三维地震等技术，构建高精度地质模型；开发热−水−力多场耦合模型，并通过实验验证动态工况下的储层行为。研究结果为不同地质条件下CAES储气库的规模化应用提供了理论与技术参考。

• 废弃矿井煤层气运移通道空间分布及抽采靶区优选

  刘钦节, 杨友兴, 吴犇牛, 段敏克, 邓卓越, 郭臣业, 孙强,

  目的和方法有效运移通道的空间分布及其长期演变特征不仅决定了废弃矿井遗留煤层气的运移路径，同时也是煤层气抽采钻孔靶区优选和抽采效益最大化的重要依据。以重庆松藻煤矿一水平一采区为研究对象，采用理论分析、数值模拟与物理相似试验相结合的方法，系统研究了倾斜多煤层条件下废弃矿井煤层气有效运移通道的分布规律，并提出了抽采靶区优选方案。结果和结论(1) 理论计算、数值模拟和物理相似试验获得的K2b、K1、K3b煤层重复开采裂隙带最大高度分别为72.89、76.4和77.3 m，结果高度一致。(2) 覆岩应力场演化呈现“拱形卸压–非对称转移–动态平衡”三阶段特征，最终形成“顶板卸压穹窿–侧向应力壳”三维非对称结构。(3) 覆岩裂隙发育遵循“采动主导–空间分异–时序累积”的协同演化规律，初始阶段上覆岩层受采动影响快速运移形成基础裂隙网络，中期在重复开采影响下，裂隙叠加扩展，后期受长达10余年的固结恢复，最终形成三维“O”形裂隙圈闭体，进入相对稳定阶段，为煤层气提供了有效运移通道，并在上方厚硬石灰岩阻隔下形成富集区；(4) 长期压实后裂隙高度降至67.97 m，呈现走向对称梯形与倾向斜梯形的分异格局，结合煤层气运移规律，建议抽采靶区优选在K3b采空区底板上方6.41~36.70 m的上隅角区域。

• 煤层气水平井井距优化技术

  王玉婷, 杨延辉, 张聪, 王秀伟, 刘忠, 陈家乐, 董晴, 孙涛, 张武昌, 李可心, 王琪,

  背景井距设计直接影响区块资源利用率与开发效益。合理的井距设计对煤层气田效益开发具有重要意义。“十四五”以来，沁水盆地南部开发区块埋深不断增加、渗透率逐步降低，主体开发技术不断升级，传统井距难以满足现场需求。方法以沁南西−马必东区块为例，采用数值模拟与经济评价相结合的方法，以地质−工程−经济一体化思路为指导，基于压降扩展协同解吸机理，分析了井距影响因素，建立了煤层气井距研究流程图，明确了给定经济参数下，不同地质条件与工程参数组合下的最优井距。结果和结论(1)渗透率、含气量、压裂缝半长是影响井距的重要因素，与井距呈正相关。(2)煤层气井距设计应利用数值模拟技术进行不同地质、工程参数组合下的产能预测和采收率预测；同时开展经济极限井距计算，兼顾单井评估的最终可采储量(EUR)最大化、采收率合理化与经济效益优选最优井距。(3)根据沁南西−马必东区块实际地质、工程及经济参数，建立了最优井距值图版，指导了现场生产实践工作，为沁南西−马必东区块产能建设过程中的井距优化设计提供了可靠依据。通过考虑压降扩展协同解吸作用，采用地质−工程−经济一体化方法进行合理井距优化，是今后煤层气开发的重要趋势，研究成果可为煤层气田合理高效开发提供有益参考。

• 织纳煤田龙潭组煤系富铌−稀土金属层地球化学特征及元素富集成因

  丁允龙, 王方发, 李碧, 汤立方, 杨祎, 黎尚源, 王小芳, 邹银洪, 王阳,

  背景随着战略性金属需求的日益增长和传统金属矿床资源逐渐耗竭，煤及含煤岩系被认为是稀有金属的潜在来源，煤系共伴生已然成为当前矿产勘查的主要方向之一。黔西织纳煤田发现了一套富铌(Nb)、稀土元素(REE)的煤系，其Nb和REE含量分别高达334.89和1014.51 μg/g，这一发现对煤系金属矿床理论研究具有重要意义。方法选取织纳煤田龙潭组煤系作为研究对象，采用工业分析、扫描电镜能谱(SEM-EDS)、X射线荧光光谱(XRF)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等测试手段，分析织纳煤田内富Nb、REE煤系的地球化学特征，深入探讨煤系关键金属元素的富集与成因。结果和结论(1)煤系属于低水分、低−中灰分、低挥发分、中−高硫的无烟煤；煤中矿物主要由黄铁矿、黏土矿物和石英组成，还发现了闪锌矿和锐钛矿；其中常量元素以SiO2和Al2O3为主，Fe2O3、MgO和TiO2的含量较高。(2)与中国煤、世界煤中微量元素均值相比，该煤系中富集了Nb、Ta(钽)、Zr(锆)、Hf(铪)和REE等关键金属元素。纵向上，所采煤层中9号煤层的关键金属元素最为富集；平面上，研究区关键金属元素含量具有自南向北逐渐增高的趋势。织纳煤田煤中稀土元素类型为轻稀土富集型，轻、重稀土分馏程度高。同时，δEu和δCe的负异常表明，陆源供给较为稳定，且煤层沉积环境以缺氧条件为主，成岩过程中氧化还原条件变化较小。(3)通过对不活动元素和REE物源示踪分析，织纳煤田龙潭组煤系中关键金属富集的物质来源于康滇古陆的峨眉山高钛玄武岩和顶部中酸性岩的风化碎屑，还受到同沉积的碱性火山灰和长英质火山灰的输入影响。同时，煤中关键金属元素在物质来源和沉积环境等因素的共同制约下形成Nb(Ta)-Zr(Hf)-REY多金属矿化富集层。

• 粉煤灰中有价战略性关键金属活化提取研究进展

  王禺昊, 董众兵,

  背景粉煤灰作为燃煤发电产生的大宗固体废弃物，全球年产量超过7.5亿t，其无序堆存会导致严重的环境风险(如重金属渗滤液、PM2.5排放)。然而，粉煤灰富含铝(Al 100~200 mg/g)、镓(Ga 10~300 μg/g)、锂(Li 1 300~3 700 μg/g)及稀土元素(REEs 200~800 μg/g)，成为战略性金属的潜在替代资源。方法通过分析国内外现阶段粉煤灰中金属提取相关技术，阐述粉煤灰中多种有价金属的赋存机制：Li以类质同象形式替代Al3+或Si4+赋存于硅铝酸盐中；Ga以Ga3+的形式取代Al3+存在于硅铝酸盐中；锗(Ge)以GeO2的形式分散于玻璃相中；REEs主要被Si―O―Al网络结构包裹于硅铝酸盐玻璃相中。进展重点分析Li、Ga、REEs等有价战略性关键金属的活化提取技术及分离工艺进展：Li的提取经过酸浸/碱浸、吸附剂吸附、洗脱得到Li2CO3结晶；通过酸浸、溶剂萃取、反萃可以提取Ga；利用酸浸/碱浸、分离与富集及沉淀与煅烧可以提取REEs。结合实验数据与工业案例，揭示工艺效率的关键控制因素如煅烧温度、助剂种类、酸/碱浓度等，进而降低杂质溶解率。展望提出多金属协同提取与低碳化发展方向，包括发展多金属分步浸出−选择性分离工艺、开发混合助剂活化与选择性强化、利用微波/超声等绿色工艺代替高能耗步骤降低焙烧温度与能耗、开发余热回收与可再生能源包括用于浸出液预热及利用残渣制备沸石分子筛等。针对战略性关键金属活化提取工艺的复杂性与二次污染问题，可基于绿色低碳工艺开发与智能材料设计，开发可多次循环使用的浸出溶剂，推动粉煤灰资源化技术的规模化应用。

• 陆相油页岩微波热解后的孔隙结构响应机制

  吕鹏瑞, 袁士豪, 耿济世, 李得路, 张慧元, 葛振龙,

  目的和方法微波热解技术在实现油页岩资源的清洁转化和能源高效利用方面展现出巨大潜力。选取鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩样品为研究对象，利用微波设备监测系统进行不同功率(600、800、1 000 W)的微波热处理实验，测试热解过程中产生的气体产物，通过氮气吸附法对比分析原始油页岩与经不同功率微波加热后的样品孔隙结构特征，并深入探讨微波加热过程中油页岩的损伤机理。结果(1) 微波热解后，油页岩的主要气体产物为CO2、CH4、H2和CO，伴有少量正丁烷、异丁烷等气态烃类。同时随着微波功率的增加，油页岩的热解时间显著缩短，热解速率大幅提高。(2) 与原始样品相比，微波加热后油页岩孔隙结构发生显著变化，微孔与大孔体积比例显著增大，且总孔隙体积随着微波功率的增大而增加。但中孔孔隙比例降低，导致其连通性变差；微孔孔隙比例增加，使微孔结构变得更加复杂。(3) 在微波作用下，油页岩内部的水分子和有机质中的极性官能团发生极化并迅速振动，促使油页岩快速升温并发生热解。温度升高诱发微裂缝的发育和扩展且导致部分原生孔隙体积增大，干酪根的裂解和有机质的分解促使原有孔隙和裂隙逐渐扩展连通并形成裂隙通道，同时CH4、CO2和CO等气体产生和排放加速了孔裂隙的发育和连通。结论微波热解显著改变了油页岩的孔隙结构，增加了孔隙体积，进而促进油页岩快速热解。研究成果为油页岩微波热解技术开发提供理论基础和实验依据。

• 承压积水作用下临空损伤煤柱宏观破坏特征与渗流规律

  刘伟韬, 陈东祺, 刘玉本, 杜衍辉, 赵吉园,

  背景小煤柱护巷的方式在我国得到广泛应用，临空煤柱的稳定性影响着矿井的安全生产，受多种扰动作用影响的煤柱内往往会产生不同类型的损伤裂隙，积水采空区的承压水环境可能会造成临空损伤煤柱的失稳破坏。方法为研究损伤裂隙结构对煤体稳定性的影响，引入相对稳定的初始损伤裂隙概念，基于损伤力学理论建立临空煤体的“流–应力–损伤”(HMD)耦合力学模型，采用COMSOL有限元分析临空损伤煤柱受单侧压力水影响下渗流破坏过程。结果和结论初始损伤裂隙的力学参数会显著影响煤体产生二次损伤的时间，两者之间存在临界阈值；损伤裂隙的存在会显著影响临空煤柱的稳定性，在单侧水压的作用下呈现出非对称的破坏形态，局部突水处的流速相比损伤前提高了2个数量级；裂隙结构会影响煤体失稳过程，随着裂隙角度从30°增加到60°，煤体的失稳时间从7.0 h缩减至4.1 h，而0°裂隙模型由于应力方向的特殊性失稳时间最短，仅为3.9 h；从损伤发育的宏观过程来看，不同模型均经历了从初始损伤裂隙尖端二次发育→损伤破坏贯通边界→大面积损伤区域扩展→边界局部突水通道形成的4个阶段；从模型损伤单元数量的演化特征来看，呈现损伤发育和快速扩展2个阶段，裂隙结构对发育速度的影响主要作用在损伤发育阶段，而不同模型快速扩展阶段的时间差异并不明显。研究结果可以为采空区隔水煤体的稳定性判断与失稳过程识别提供参考。

• 富水弱胶结露天边坡劣化失稳机理研究

  王明, 吴璋, 徐长友, 赵甫, 孟祥春, 时斌, 刘敬玉, 徐勇超, 王京伟, 赵立春,

  背景在露天矿开采过程中，由于剥离层存在新近系和第四系的风积、冲洪积物，其结构松散，利于贮水、导水，易引起边坡的劣化失稳，严重危害生产安全。方法根据现场调查与室内试验成果，系统分析地下水对内蒙古霍林河煤田某露天煤矿边坡软弱层面的影响过程，重点研究地下水对泥岩层的软化作用，针对松散层建立力学模型，推导堆积层渗透力的计算公式，量化地下水位对坡体安全系数的影响，并采用数值模拟进行验证，揭示地下水对露天边坡的劣化–失稳作用机理。结果和结论研究区边坡底部泥岩层风化严重，节理裂隙发育，与第四系砂土层共同构成边坡的弱层；受构造影响，边坡底部的泥岩层面低洼，其良好的隔水性使上部层位长期富水；在水的作用下，坡体的弱胶结堆积层易受渗透力影响发生变形破坏，而岩土体的力学性质也会在水的作用产生折减。该露天边坡地形利于汇水，赋存不利于边坡稳定的软弱层，是造成边坡失稳的一大内因；地下水所带来的渗透力、浮托力和对岩土体的劣化作用，加大了坡体失稳的可能。据此，提出煤矿应增加系统水文地质研究，采用“外截、内排”的防治水措施。

• 采动覆岩惯性水平移动时空演化规律及地表预计模型

  陈元非, 王磊,

  目的大量实测数据显示，在采动影响区中部，地表走向水平移动往往不为0，这一现象与传统认知规律相违背，导致传统水平移动预计模型在预计时总是出现系统性偏差。方法以安徽淮南顾桥矿1414工作面为研究对象，利用实测数据与数值模拟分析方法，研究采动覆岩内部和地表水平移动的时空演化现象，分析采空区边界水平移动和中部惯性水平移动的来源、规律和分布特征，构建了考虑惯性水平移动的地表预计新模型，并在该矿1117工作面进行了验证。结果和结论(1)走向超充分采动时，地表走向除了在采动区边界拐点的两翼存在对称的走向水平移动外，在采动区中部还会出现一种沿走向的惯性水平移动，这种移动导致最终叠加形成的地表走向水平移动与倾斜变形不成正比，与传统模型不符合。(2)惯性水平移动是地下开采过程的产物，模拟过程中递进步距越小，惯性水平移动越明显，且与采高呈明显的正比关系。(3)惯性水平移动在地表采动区中心达到最大，在采动影响区边界为0，其整体分布与地表下沉分布相似。构建的新模型在淮南顾桥矿1117工作面地表水平移动预计中取得了良好效果，准确预测了两侧边界的水平移动差异，以及采动区中部的水平移动现象，水平移动拟合中误差7.0%。研究成果对揭示地表水平移动机理，完善开采沉陷基础理论具有重要意义。

• 碳酸盐岩溶蚀缝洞储层数字岩石建模与弹性模拟

  朱伟, 赵峦啸, 王一戎,

  目的塔里木盆地的深层碳酸盐岩溶蚀缝洞储层广泛发育，刻画含缝洞系统碳酸盐岩储层的地震岩石物理特征对有利储集体的勘探发现和钻井开发具有重要的指导意义。当溶蚀缝洞的充填状态发生变化时，其弹性和衰减特征具有显著差异。方法基于塔里木盆地碳酸盐岩地层露头剖面中溶蚀缝洞系统的几何结构特征和充填特征的地质认识，提出了溶蚀缝洞体系数字岩石的构建方法。在物理相似比的指导下，利用动态应力应变数值模拟计算数字岩石的频散和衰减特征，并分析溶洞充填物的类型和含量、缝胶结物的含量以及缝洞含水饱和度发生改变时，数字岩石的频散和衰减的变化特征及其背后的物理机制。结果和结论溶洞充填物与溶蚀缝胶结物的含量变化对速度和衰减均产生显著影响。溶洞充填物类型对速度的影响较为明显，而对衰减的影响相对较弱。当缝洞含水饱和度发生变化时，速度呈现单调变化趋势，而衰减则表现出复杂的跳变特征。速度作为表征数字岩石内部结构平均特性的参数，其与缝洞内充填物之间具有较强的相关性；而衰减则对数字岩石局部结构内的流体赋存状态具有较高敏感性。研究成果可用于指导深层碳酸盐岩溶蚀缝洞储层的定量地震解释、属性优选和速度建模，支撑深层碳酸盐岩储层的高精度地球物理刻画。

• 三维地震波超前地质预报及其应用效果

  蔡盛,

  目的针对传统隧道地震反射波超前地质预报技术受限于二维观测系统几何局限导致的异常体空间定位偏差问题，建立基于实际隧道几何结构的三维地震波超前预报方法。方法采用“理论分析–数值模拟–工程验证”技术路径，解决了三维探测系统的波场重构、空间建模、偏移成像等关键技术难题。基于几何地震学原理论证了三维观测对异常体探测范围及定位精度的提升效应；应用旋转交错网格有限差分法实现了隧道全空间TTI介质三维波场正演，引入通量校正传输技术(FCT)抑制数值频散；结合快速行进法(fast marching method，FMM)计算波前走时，采用改进型Kirchhoff积分算法实现了三维偏移成像。结果鄂西铁路隧道现场试验表明：三维方法在掌子面前方20 m(里程412 m)处精准探测到密集裂隙发育带；异常体定位范围较二维预报方法缩小20%；三维预报成果图可多角度展示异常体空间形态。结论三维地震反射波超前地质预报技术提升了地质异常体的空间定位能力与解释直观性，为隧道施工地质灾害防控提供有效技术支撑。

• 小线框源TEM拟MT二维反演技术及超前地质预报应用

  韩自强, 万玛龙智, 李祥丰, 杨永强, 朱小明, 雒成贤, 唐立,

  目的针对瞬变电磁法(transient electromagnetic method，TEM)超前地质预报多维反演计算效率低，难以实用化的瓶颈，提出一种基于时频转换的小线框源TEM拟大地电磁法(magnetotelluric，MT)二维反演技术。方法首先证明小线框源TEM晚期视电阻率与MT卡尼亚视电阻率在超前地质预报常用参数下具有显著相似性；引入最佳时频转换系数(CTF)实现晚期视电阻率向卡尼亚视电阻率的快速转换，转换偏差最大平均值为3.7%，转换偏差整体较小；进而利用MT成熟的反演方法处理转换数据。结果(1) 拟MT一维反演结果中，电阻率相对误差最大为6.14%，深度相对误差最大为5.73%，反演误差整体较小。(2) 拟MT二维反演结果中，含水构造上方测线的反演结果能够确定含水构造的边界位置和真实深度，反演电阻率更接近含水构造的真实电阻率值；含水构造以外测线的反演结果能够反映出低阻含水构造的存在，但各具体反演参数与实际存在一定偏差。结论该方法在普通PC端计算耗时<20 min，提升了计算效率和预报精度，为TEM超前地质预报提供实用化二维反演新途径。

• 融合空间特征的孔间电阻率时序预测模型及应用

  王江宏, 刘硕, 王刚, 薛悟强, 李博凡,

  背景矿井电阻率法是煤矿水害监测的核心技术，然而传统方法受限于测点稀疏与空间分辨率不足，难以捕捉复杂地质条件下的动态电阻率变化。目的和方法针对这一难题，提出一种融合时空特征的深度学习预测模型，构建了基于长短期记忆网络(LSTM)的孔间电阻率预测框架，通过皮尔森相关性分析筛选关键空间测点，实现对未知区域电阻率的高精度预测。首先通过空间相关性热力图量化测点间电性关联，确定最优邻近点数量为5个，有效降低数据冗余并提升模型泛化能力。模型架构结合LSTM门控机制捕捉电阻率时序依赖，同时融合多测点空间信息，解决了传统模型对长序列梯度消失的敏感性问题。以鄂尔多斯唐家会煤矿 61304工作面为工程背景，基于底板定向孔监测数据，对比分析LSTM与传统循环神经网络(RNN)的预测性能。结果和结论LSTM 模型在平均绝对误差(EMA=0.058 2)、均方误差(EMS=0.005 2)和决定系数(R2=0.937 7)等指标上优于 RNN，且在 10% 噪声干扰下 R2 仅下降 0.02，验证了其鲁棒性。将LSTM模型应用于注浆过程早期、中期与后期的动态监测，通过对实测稀疏数据进行预测补全，获得了高密度的时空电阻率数据集。基于此高密度数据的反演成像结果证实，该方法能有效恢复低密度监测下被忽略的地质结构连续性，并成功识别出在低密度反演结果中无法显现的弱异常区域。本方法能够有效弥补传统监测的空间分辨率不足，为复杂地质条件下的水害动态监测与精准预警提供一种技术途径。

• 煤矿井下坍塌体水平钻进参数特征与破岩机理

  姚宁平, 豆旭谦, 韩兆阳, 张国华, 孙雨辰, 李浩, 王力,

  目的随着煤矿开采深度不断增加，巷道因地应力和矿压作用导致冒顶塌方、人员被埋等灾害风险加剧，钻孔救援是快速构建救援通道的关键手段，但钻进过程面临地质结构复杂、坍塌体稳定性差、钻进效率低等挑战。方法为揭示坍塌体钻进破岩机理，优化钻进参数与成孔可靠性，实现坍塌体安全高效钻进，研制了冲击−旋转水平钻进与随钻实时监测的大型试验平台，该平台具备9项钻进参数的实时采集或控制能力，包括钻进速度、推进力、钻进压力、旋转压力、冲击压力等，满足钻进全过程的动态监测需求，基于该平台采用M20、C30、C50三类强度材料设计了模拟坍塌体典型组构和结构的模型试验，对比不同强度和状态下钻进参数的变化规律。结果和结论钻进行程的曲线形态、钻进速度的突变响应，推进力的跃迁间隔和周期性变化以及旋转压力的波动幅度等参数特征可有效表征被钻岩体的强度水平和赋存状态；进一步结合成孔形态与破碎模式，提出“低冲击−低推进−高转速”策略有助于在透巷段降低扰动、提高钻进稳定性；试验揭示了坍塌体内部“块体尺寸分级响应−破碎模式级联转化−钻进过程循环渐进”的破岩机理：小尺寸松散体易受扰动排出，中尺寸块体在钻进中与松散体形成支撑结构后被进一步破碎并参与排屑循环，大尺寸孤石部分破碎后进入循环，或因完整性高形成贯通通道持续存在，反映钻进过程中的机−岩互馈特性与结构动态演化过程。研究结果为井下坍塌体钻进过程中岩体识别、参数优化与安全控制提供了理论支撑，助力应急救援中的科学决策与精准作业。

• 地面钻孔救援车载钻机钻进速度的混合微分器估计方法

  王云飞, 赵继云, 胡永杰, 张宗阳, 潘晓晨,

  背景车载钻机是地面钻孔救援的关键设备，通过竖直钻孔将地面与地下灾区的直接连通，为被困人员提供救援通道。其中，钻进速度是评价地面救援钻孔作业效果的重要指标，但是受传感器限制无法直接获取。方法因此， 设计了一种基于新型混合微分器的钻进速度估计方法，利用可测量的位移信号计算钻进速度。构建了连续型切换函数，结合其导数分析了新函数的收敛特性，设计了一种兼具线性和非线性特征的新型混合微分器，并利用李亚普诺夫函数证明了其全局渐近稳定特性。在Matlab软件中设计了3种对比控制器，分别开展正弦型信号和三角波型信号下的钻进速度仿真分析。结果和结论仿真结果表明，所设计新型混合微分器在正弦型位移信号下的速度平均估计误差约为0.1 m/s，最大估计误差约为1.02 m/s，标准差约为0.09 m/s；在三角波形位移信号下的速度平均估计误差约为0.29 m/s，最大估计误差约为2.07 m/s，标准差约为0.47 m/s。在徐工XSL1500车载救援钻机上开展连续性和间歇性提放实验，发现所设计的新型混合微分器在两种工况下具有良好的响应速度和降噪能力，更适用于不确定环境下钻进速度的获取。本研究提出了一种基于新型连续切换函数的混合微分器设计方法，设计了联合混合微分器和位移传感器的钻机钻进速度估计方法，为车载钻机钻进速度的获取提供了理论支撑和实践经验。

• 救援车载钻机起下钻机构时效优化设计方法

  曹超, 毛炳权, 张忠海, 常仁齐, 赵继云, 韩静, 黄笛,

  目的在矿山事故救援领域，车载钻机开展地面钻孔作业开辟竖直救生通道最为有效。但受车辆载重限制，需平衡起下钻执行机构驱动速度与稳定性，建立参数优化设计配置体系，充分配置钻孔机构作业能力，是保障救援效率的关键。方法通过构建车载钻机起下钻机构时空多重规划模型，明确了车载钻机关键参数范围和设计流程，按照多执行机构梯形或S形速度曲线分类规划原则，开展了钻机多执行机构时序规划和运动学规划；通过Adams和AMESim构建了双向耦合机液动力学模型，分析了机械系统和液压驱动系统的动态特性，优化了驱动系统参数配置和救援车载钻机主要机构的动态设计参数；构建了包含时序、运动、驱动的全局时效优化设计方法，形成了完整的救援钻机起下钻机构参数设计闭环。结果和结论(1)采用并行作业配置策略，可以将下钻时间和起钻时间分别缩短17.7%和17.5%，各执行机构中最大应力集中于铰接点，运动状态切换时振动与载荷冲击最大。(2)通过动力学迭代优化起下钻机构并行动作时序，使给进油缸执行提升动作时最大应力降低37.76%，翘起油缸执行动力头回落动作时最大应力降低4.66%。(3)起下钻机构样机动作时序测试表明，实际运动时间误差≤5.83%，振动幅值满足约束要求。研究提出的车载救援钻机时效优化设计方法对提升钻孔救援装备能力和效率具有重要意义。

• 地下空间坍塌救援钻场动态安全评估预警方法与集成

  谢众智, 张国华, 韦兴童, 张宁, 王晓恬, 倪晓阳, 周政文, 王献泽,

  目的针对地下空间坍塌救援钻场环境灾变动态安全评估方法缺失的问题，提出了一种基于多源数据驱动的动态安全评估与实时预警方法。方法综合考虑地下空间救援钻场的孕险环境、致险因素，构建了适用于该环境的安全评估指标及指标分级体系，融合围岩变形、气体浓度及钻机振动等多源数据，采用层次分析法(AHP)与熵权法(EWM)组合赋权建立适用于救援钻场的安全评估方法；引入外生变量建立ARIMAX多因素时间序列预测模型，并构建“监测−评估−预测−预警”闭环机制。结果和结论(1)评估模型通过专家经验与数据分布特性融合，实现权重分配的动态优化，较单一主观赋权模型评估结果的稳定性显著提高。(2)预测模型的预测误差较低，均方根误差低于0.12。(3)开发轻量化软件平台，实现评估与预警方法与可视化界面的高效集成，显著降低预警响应时间；实例验证表明评估与预警方法的可靠性较高。该方法突破了传统静态评估的局限性，为复杂救援环境下的态势感知与决策优化提供了理论支撑和技术工具。